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Java 入门指南：JVM（Java虚拟机）垃圾回收机制 —— 垃圾回收算法

article 2024/11/14 18:30:08

文章目录

- 垃圾回收机制
- 垃圾判断算法
- - 引用计数法
  - 可达性分析算法
  - - 虚拟机栈中的引用（方法的参数、局部变量等）
    - 本地方法栈中 JNI 的引用
    - 类静态变量
    - 运行时常量池中的常量
- 垃圾收集算法
- - Mark-Sweep（标记-清除）算法
  - Copying（标记-复制）算法
  - Mark-and-Compact（标记-整理）算法
  - Generation Collection (分代收集) 算法

垃圾回收机制

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间，当需要排查各种内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时，我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。有效的使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。

垃圾判断算法

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
当引用失效，计数器就减 1；
任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

![[Pasted image 20231011222409.png]]

可达性分析算法

该算法通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

![[Pasted image 20231011222616.png]]

图片来源：JavaGuide

Object 6 ~ Object 10 之间虽有引用关系，但它们到 GC Roots 不可达，因此为需要被回收的对象

所谓对象之间的相互引用问题：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

所谓的 GC Roots，就是一组必须活跃的引用，不是对象，它们是程序运行时的起点，是一切引用链的源头。在 Java 中，GC Roots 包括以下几种：

虚拟机栈中的引用（方法的参数、局部变量等）
本地方法栈中 JNI 的引用
类静态变量
运行时常量池中的常量（String 或 Class 类型）

虚拟机栈中的引用（方法的参数、局部变量等）

public class StackReference {
    public void greet() {
        Object localVar = new Object(); // 这里的 localVar 是一个局部变量，存在于虚拟机栈中
        System.out.println(localVar.toString());
    }

    public static void main(String[] args) {
        new StackReference().greet();
    }
}

在 greet 方法中，localVar 是一个局部变量，存在于虚拟机栈中，可以被认为是 GC Roots。

在 greet 方法执行期间，localVar 引用的对象是活跃的，因为它是从 GC Roots 可达的。

当 greet 方法执行完毕后，localVar 的作用域结束，localVar 引用的 Object 对象不再由任何 GC Roots 引用（假设没有其他引用指向这个对象），因此它将有资格作为垃圾被回收掉。

本地方法栈中 JNI 的引用

Java 通过 JNI（Java Native Interface）提供了一种机制，允许 Java 代码调用本地代码（通常是 C 或 C++ 编写的代码）。

当调用 Java 方法时，虚拟机会创建一个栈帧并压入虚拟机栈，而当它调用本地方法时，虚拟机会通过动态链接直接调用指定的本地方法。

![[Pasted image 20240917212049.png]]

JNI 引用是在 Java 本地接口（JNI）代码中创建的引用，这些引用可以指向 Java 堆中的对象。

// 假设的JNI方法
public native void nativeMethod();

// 假设在C/C++中实现的本地方法
/*
 * Class:     NativeExample
 * Method:    nativeMethod
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeExample_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject thisObj) {
    jobject localRef = (*env)->NewObject(env, ...); // 在本地方法栈中创建JNI引用
    // localRef 引用的Java对象在本地方法执行期间是活跃的
}

在本地（C/C++）代码中，localRef 是对 Java 对象的一个 JNI 引用，它在本地方法执行期间保持 Java 对象活跃，可以被认为是 GC Roots。

一旦 JNI 方法执行完毕，除非这个引用是全局的（Global Reference），否则它指向的对象将会被作为垃圾回收掉（假设没有其他地方再引用这个对象）。

类静态变量

来看下面这段代码：

public class StaticFieldReference {
    private static Object staticVar = new Object(); // 类静态变量

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(staticVar.toString());
    }
}

StaticFieldReference 类中的 staticVar 引用了一个 Object 对象，这个引用存储在元空间，可以被认为是 GC Roots。

只要 StaticFieldReference 类未被卸载，staticVar 引用的对象都不会被垃圾回收。如果 StaticFieldReference 类被卸载（这通常发生在其类加载器被垃圾回收时），那么 staticVar 引用的对象也将有资格被垃圾回收（如果没有其他引用指向这个对象）。

运行时常量池中的常量

public class ConstantPoolReference {
    public static final String CONSTANT_STRING = "Hello, World"; // 常量，存在于运行时常量池中
    public static final Class<?> CONSTANT_CLASS = Object.class; // 类类型常量

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(CONSTANT_STRING);
        System.out.println(CONSTANT_CLASS.getName());
    }
}